計算機控制課程設(shè)計(最小拍無波紋

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上計算機控制課程設(shè)計報告題目: 最小拍控制設(shè)計 姓名: 學(xué)號: 2014年7月4日計算機控制課程設(shè)計任務(wù)書學(xué) 號班 級學(xué) 生指導(dǎo)教師題 目最小拍控制設(shè)計設(shè)計時間2014年 6 月 27 日 至 2014 年 7 月 4 日 共 1 周設(shè)計要求設(shè)計任務(wù)： 設(shè)單位反饋線性定常離散系統(tǒng)的連續(xù)部分和零階保持器的傳遞函數(shù)分別為，采樣周期T=0.1s，設(shè)計數(shù)字控制器，要求系統(tǒng)在單位斜坡輸入時實現(xiàn)最小拍無波紋控制。方案設(shè)計：1. 完成控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計；2. 選擇元器件，完成電路設(shè)計，控制器采用MCS-51系列單片機(傳感器、功率接口以及人機接口等可以暫不涉及)，使用Protel繪

2、制原理圖；3. 編程實現(xiàn)單片機上的控制算法。報告內(nèi)容：1. 控制系統(tǒng)仿真和設(shè)計步驟，應(yīng)包含性能曲線、采樣周期的選擇、數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)和差分方程；2. 元器件選型，電路設(shè)計，以及繪制的Protel原理圖；3. 軟件流程圖，以及含有詳細(xì)注釋的源程序；4. 設(shè)計工作總結(jié)及心得體會；5. 列出所查閱的參考資料。指導(dǎo)教師簽字： 系（教研室）主任簽字：2014年 6 月 27 日一、題目分析根據(jù)題目要求，設(shè)單位反饋線性定常離散系統(tǒng)的連續(xù)部分和零階保持器的傳遞函數(shù)分別為，采樣周期T=0.1s，設(shè)計數(shù)字控制器，要求系統(tǒng)在單位斜坡輸入時實現(xiàn)最小拍無波紋控制。二、設(shè)計最小拍控制器1、控制系統(tǒng)總體介紹最小拍

3、閉環(huán)控制系統(tǒng)包括給定值，輸出值，D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，數(shù)字控制器，被控對象，零階保持器等環(huán)節(jié)。在數(shù)字隨動控制系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)的輸出值盡快地跟蹤給定值的變化，最少拍控制就是為滿足這一要求的一種離散化設(shè)計方法。所謂最少拍控制，就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對于某種特定的輸入在最少個采樣周期內(nèi)達(dá)到無靜差的穩(wěn)態(tài)，且閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)具有以下形式：式中N是在可能情況下的最小正整數(shù)。這一形式表明閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)在N個采樣周期后變?yōu)?，從而意味著系統(tǒng)在N拍之內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。2、控制系統(tǒng)框圖及閉環(huán)工作原理圖1 控制系統(tǒng)框圖 最小拍雙通道采樣的閉環(huán)系統(tǒng)框圖如圖1所示，在該系統(tǒng)中對給定值r(t)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換采樣，得到離散化的r(z),

4、并且對輸出值c(t)也進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，得到c(z)，然后計算有e(k）=c(k)-r(z)。D(z)為計算機控制系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)，U(z)為輸出的控制量，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到模擬控制量U(t)對包含零階保持器的被控量進(jìn)行控值進(jìn)而達(dá)到要求的最小拍控制的目的。3、最少拍無紋波系統(tǒng)控制算法設(shè)計 （1）帶零階保持器的廣義被控對象為通過matlab，z變換程序為np=0 0 10;dp=1 1 0;hs=tf ( np, dp);hz=c2d(hs,0.1)結(jié)果為Transfer function: 0.04837 z + 0.04679-z2 1.905 z + 0.9048 Sampling

5、time:0.1 seconds即 （2）無波紋最小拍控制器D（z） 根據(jù)G(z)，對象有一個純遲后因子v=1,一個零點，兩個極點，輸入函數(shù)為單位斜坡信號， ，m=2，則閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為由 得系數(shù)，則系統(tǒng)脈沖傳函為 (3) 誤差脈沖傳函為 (4)由得設(shè)計的控制器為 (5)4、無波紋最小拍控制系統(tǒng)simulink仿真圖2 控制系統(tǒng)整體框圖仿真結(jié)果為： （）系統(tǒng)輸入及系統(tǒng)輸出曲線c(t)圖形如圖3所示：圖3 系統(tǒng)輸入及系統(tǒng)輸出曲線c(t)（2）系統(tǒng)誤差e（t）曲線如圖4所示：圖4 系統(tǒng)誤差e（t）曲線（3）控制器輸出u（k）曲線如圖5所示：圖5 控制器輸出u（k）曲線通過仿真曲線看出： 控制器D

6、（z）滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)在第三拍之后系統(tǒng)達(dá)到無差，輸出響應(yīng)從第三個采樣周期開始完全跟蹤輸入，且沒有波紋。最后控制器輸出恒定（），因此系統(tǒng)輸出不會產(chǎn)生波紋，調(diào)節(jié)時間為。將得系統(tǒng)的差分方程為： (6)三、硬件電路設(shè)計及元件選型1、AD轉(zhuǎn)換器選擇AD0808 由于51 單片機大部分不帶AD 轉(zhuǎn)換器，所以模擬量的采集就必須靠A/D實現(xiàn)。我們選擇8位精度的AD 轉(zhuǎn)換器AD0808。ADC0808 是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成，內(nèi)部具有鎖存功能，故不需要加地址鎖存器。ALE腳為地址鎖存信號，三根地址線固定接地，由于地址信

7、號已經(jīng)固定，故將ALE接高電平。START腳為AD轉(zhuǎn)換啟動信號，高電平有效，程序控制。AD采樣值為系統(tǒng)的偏差信號，故選擇ADC0808的為5V。由于ADC0808的時鐘所限，AD轉(zhuǎn)換器的時鐘信號，由單片機P2.1腳產(chǎn)生，將CLOCK腳接單片機的P2.1。由單片機產(chǎn)生300khz的時鐘信號。單片機晶振可選擇為12MHz。EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC 為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。設(shè)計將其接單片機P2.2腳由程序讀入，判斷AD是否轉(zhuǎn)換完成。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果由P0口讀入，故將AD轉(zhuǎn)換器的輸出與單片機P0口相連，高低位依次相連。圖6 AD轉(zhuǎn)換器硬件電路接線圖2DA轉(zhuǎn)換器選擇

8、DAC0832。具有8位并行、中速(建立時間1us)、電流型、低廉(1020元)的特點。DAC0832的引腳接法下：CS：片選端，直接接低電平ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，直接接高電平。WR2：DAC寄存器寫選通控制端，故直接接低。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效，故直接接地。WR1；第一級輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。其輸入為上升沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，故將該腳與單片機P2.3口相連，由程序控制DA轉(zhuǎn)換的時間。D10D17：與單片機P0P7相連。圖7 DA轉(zhuǎn)換器硬件電路接線圖3、控制器控制器選擇AT89C51單片機，根據(jù)ADC0808和DAC0832的特性，及上述分析，設(shè)計單

9、片機與AD、DA的接口電路如下圖所示。圖8 數(shù)字控制器硬件接線圖4、被控對象如圖9所示，左邊的積分環(huán)節(jié)通過選取500K的輸入電阻和2UF的并聯(lián)電容來實現(xiàn)，右邊的 放大器上并聯(lián)了R=500K和C=2uF實現(xiàn)時間常數(shù)=1S，然后再通過=10實現(xiàn)放大系數(shù)Kp=10的要求。圖9 被控對象實現(xiàn)硬件電路圖圖10 整體實現(xiàn)硬件接線圖四、 程序流程圖及源程序1、流程圖主程序主要通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)初始化和變量初始化的操作，包括設(shè)定定時器的工作狀態(tài)、定時器裝初值、開定時中斷、啟動定時器、D/A清零、變量清零等內(nèi)容，完成上述操作后就等待進(jìn)入定時中斷。主程序流程圖如圖11所示。圖11 主程序流程圖定時器1中斷服務(wù)

10、程序?qū)崿F(xiàn)的功能有：是為AD轉(zhuǎn)換提供脈沖信號，流程圖如圖12所示。圖12 定時器1中斷服務(wù)流程圖定時器0中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)了采樣和計算輸出控制量的功能。首先檢查是否到了采樣周期，如果到了，就把輸出清零、變量初始化并給采樣周期值，進(jìn)行下一步的采樣和計算，沒到就就繼續(xù)計時等待采樣周期到來。根據(jù)之前算得的公式計算出控制輸出u(k),然后檢查控制量是否溢出，溢出了就取相應(yīng)的最值。這之后輸出控制量。最后進(jìn)行控制量和偏差的遞推和采樣周期恢復(fù)，就返回了，流程圖如圖13所示。圖13 定時器0中斷服務(wù)流程圖定時器T0的初值計算：機器周期：，采樣周期T=0.1s設(shè)：需要裝入T0的初值為X，則有： X化為十六進(jìn)制，即X

11、=0x3cb0T0的初值為 TH0=0x3c; TL0=0xb0;2、源程序及注釋#include<reg51.h>定義變量及其初始化sbit start=P20; / AD啟動信號sbit CLK=P21; / AD時鐘信號輸出口sbit EOC=P22; / AD轉(zhuǎn)換完成信號sbit DA_W=P23; / DA轉(zhuǎn)換信號sbit OE=P24;unsigned char ad_data ; / AD采樣值unsigned char n=0; /定時標(biāo)記量char e; /定義當(dāng)前采樣值char u; /定義DA輸出量char u0=0; /char u1=0; /char e0

12、=0; / char e1=0; /前二次采樣值和前二次控制值float temp; /設(shè)置指針AD采樣函數(shù)void AD() start=0; /start=1; / 啟動AD轉(zhuǎn)換器，開始轉(zhuǎn)換start=0; /while(EOC=0); / 轉(zhuǎn)換未結(jié)束，空循環(huán)OE=1;ad_data=P0; / 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，讀取AD輸出值 OE=0; 定時器中斷初始化程序void TimeInitial() IP=0x08; /設(shè)置中斷優(yōu)先級，定時器1為高優(yōu)先級 TMOD=0x21; /定時器1采用方式2，定時器0采用方式1TH1=0xd8; /設(shè)置定時器1的初值 TL1=0xd8; TH0=0x3c;

13、/設(shè)置定時器0的初值 TL0=0xb0; EA=1; /開放所有中斷ET1=1; /允許T1溢出中斷 TR1=1; /啟動定時器1 ET0=1; /允許T0溢出中斷 TR0=1; /啟動定時器0 主函數(shù)void main() TimeInitial(); start=0; /AD啟動信號為0 DA_W=0; P1=0x80; DA_W=1; /控制器初始輸出為零 while(1); /空循環(huán)，等待中斷 定時器0中斷函數(shù)void T0(void )interrupt 1 using 1 TH0=0x3c; TL0=0xb0; /重裝初值 if (n=2) n=0; AD(); /0.1s后，讀取

14、AD采樣值 e=ad_data-128; /采樣實際偏差值 temp=0.267*u1+0.733*u0+26.183*e-41.983*e1+16.552*e0; /差分方程 if(temp>0) /當(dāng)前輸出值大于零 if(temp>=127) u=127; /判斷是否溢出，溢出取極值 else u=(char)temp; /控制器輸出值 else /當(dāng)前輸出值小于零 if(temp<=-127) u=-127; /判斷是否溢出，溢出取極值 else u=(char)temp; /控制器輸出值 P1=u+128; /DA輸出值 u0=u1; /控制量遞推賦值 u1=u; e

15、0=e1; /偏差量遞推賦值 e1=e; DA_W=0; DA_W=1; /上升沿DA輸出 else n+; /定時不到0.1s，繼續(xù)定時定時器1中斷函數(shù) void clk(void) interrupt 3 using 0 CLK=CLK; /產(chǎn)生時鐘信號 五、設(shè)計小結(jié) 本次課程設(shè)計讓我們進(jìn)一步熟悉并掌握了數(shù)字控制器設(shè)計的一般步驟，以及使用MALAB、PROTEL、KEIL等軟件進(jìn)行設(shè)計、分析、仿真的過程。在設(shè)計過程中遇到的一些問題，比如控制器設(shè)計方案的選擇，MATLAB仿真模型的建立、控制器程序的設(shè)計等，在調(diào)試的過程中，遇到的問題更多，調(diào)試的過程是一個讓人思考的過程，也是熟悉穩(wěn)態(tài)方法和實踐

16、動手的好機會，順著模塊的順序依次排查接線，出現(xiàn)問題，想出各種可能的情況，測試解決。經(jīng)過此次的課程設(shè)計，我對所學(xué)過的知識在應(yīng)用方面有了初步認(rèn)識，并且學(xué)到很多擴展方面的知識，且再對課題的仿真過程當(dāng)中，能夠熟練的使用Simulink軟件。通過查資料了解了課本上沒學(xué)到的知識，也知道了AT89C51與我們所學(xué)的80C51引腳，內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及用途上的差別。還選擇了ADC0808作為A/D轉(zhuǎn)換器， DAC0832作為本系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換器。通過模擬量經(jīng)過輸入通道進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)絾纹瑱C內(nèi)，通過編程，對所錄入的模擬信號進(jìn)行編程，實現(xiàn)外擴電路的顯示，以及D/A轉(zhuǎn)換后傳輸給執(zhí)行器進(jìn)行控制。經(jīng)過此次的課程設(shè)計，我對所學(xué)過的知識在應(yīng)用方面有了初步認(rèn)識，并且學(xué)到很多擴展方面的知識，且再對課題的仿真過程當(dāng)中，能夠熟練的使用Simulink軟件。通過查資料了解了課本上沒學(xué)到的知識，也知道了AT89C51與我們所學(xué)的80C51引腳，內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及用途上的差別。還選擇了ADC0808作為A/D轉(zhuǎn)換器，